ΕΝΘΕΤΟ Έννοιες που εξετάζονται από άλλες φυσικές επιστήμες
ΟΜΟΙΟΠΟΛΙΚΟΙ ΔΕΣΜΟΣ - ΔΕΣΜΟΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ Ο σχηματισμός του μορίου του νερού (Η20) μπορεί να εξηγηθεί με βάση την ηλεκτρονιακή του δομή. Καθένα από τα δύο άτομα του υδρογόνου έ- χει ένα ηλεκτρόνιο (1e-).στην εξωτερική του στιβάδα (Κ). Το άτομο του οξυγόνου έχει έξι ηλεκτρόνια (6e-) στην εξωτερική του στιβάδα (L), η οποία χρειάζεται οκτώ ηλεκτρόνια (8e"), για να είναι συμπληρωμένη. Όταν τα άτομα αυτά συνδυαστούν για τη συγκρότηση ενός μορίου νερού, έχουμε αμοιβαία συνεισφορά ηλεκτρονίων της εξωτερικής τους στιβάδας. Σχηματίζονται έτσι ζεύγη ηλεκτρονίων, που ανήκουν ταυτόχρονα και στα δύο άτομα. Με τον τρόπο αυτό το άτομο του οξυγόνου συμπληρώνει την εξωτερική του στιβάδα με 8e", ενώ κάθε άτομο υδρογόνου συμπληρώνει τη δική του (Κ στιβάδα) με 2e". Ο τρόπος αυτός σύνδεσης των ατόμων, με αμοιβαία συνεισφορά ηλεκτρονίων, λέγεται ομοιοπολικός δεσμός. Τα κοινά ζεύγη ηλεκτρονίων έλκονται και από τους τρεις πυρήνες. Επειδή όμως ο πυρήνας του οξυγόνου, λόγω των περισσότερων πρωτονίων, έλκει πιο ισχυρά τα ζεύγη των ηλεκτρονίων, το άτομο αποκτά αρνητικό φορτίο (δ"). Αντίστοιχα, τα άτομα του υδρογόνου αποκτούν θετικό φορτίο(δ+). Αυτό έχει ως συνέπεια να εμφανίζονται στο μόριο του νερού δύο πόλοι ή, με άλλα λόγια, το μόριο του νερού να συμπεριφέρεται ως ηλεκτρικό δίπολο. Όταν τα δίπολα μόρια του νερού συνυπάρχουν, σχηματίζονται διαμοριακοί δεσμοί ανάμεσα στο άτομο του υδρογόνου του ενός μορίου και του ο- ξυγόνου του άλλου. Αυτοί είναι γνωστοί ως δεσμοί υδρογόνου. Σχηματισμός του μορίου του νερού. Δεσμοί υδρογόνου μεταξύ του μορίου του νερού. Οι δεσμοί υδρογόνου σπάνε και ξανασχηματίζονται πολύ πιο εύκολα από τους ομοιοπολικούς δεσμούς. Τα δύο αυτά είδη δεσμών παίζουν σημαντικό ρόλο στο σχηματισμό των βιομορίων, προσδίδοντάς τους ταυτόχρονα χαρακτηριστικές ιδιότητες.
ΝΕΡΟ: ΔΙΑΔΕΔΟΜΕΝΟ ΚΑΙ ΙΔΙΟΡΡΥΘΜΟ Νερό, τo πιο διαδεδομένο υγρό του πλανήτη μας. Υπάρχει στα ποτάμια και «τρέχει» να συναντήσει τη θάλασσα, παίρνοντας κάποιες φορές τη μορφή καταρράκτη. 1. Το νερό ανθίσταται, περισσότερο από κάθε άλλο γνωστό υγρό, στις μεταβολές της θερμοκρασίας του. Αποτελεί δηλαδή μια σχετικά α- δρανή θερμικά ουσία. Θα έχεις προσέξει ίσως ότι, όταν βράζεις νερό σε ένα μεταλλικό δοχείο, πρώτα θερμαίνονται τα τοιχώματα του δοχείου και μετά το νερό που περιέχει. Αντίθετα, όταν το δοχείο απομακρυνθεί από την εστία, πρώτα ψύχονται τα τοιχώματά του και τελευταίο το νερό. Αυτή η γνωστή συμπεριφορά του νερού οφείλεται στη μεγάλη θερμοχωρητικότητά του, που με τη σειρά της είναι συνέπεια των δεσμών υδρογόνου. Το νερό, που βρίσκεται σε υψηλή περιεκτικότητα σε όλους τους οργανισμούς, βοηθά στο να παραμένει σταθερή η εσωτερική θερμοκρασία τους. Έτσι ευνοούνται οι μεταβολικές αντιδράσεις, γιατί διεξάγονται σε περιβάλλον με μικρές διακυμάνσεις θερμοκρασίας. Οι υδρόβιοι οργανισμοί ειδικά επωφελούνται από τη θερμοχωρητικότητα του νερού, γιατί το περιβάλλον στο οποίο ζουν (ωκεανοί, λίμνες κτλ.) διατηρεί σχετικά σταθερή θερμοκρασία. Κάθε προσπάθεια των επιστημόνων να ανακαλύψουν αν υπάρχει ζωή σε έναν πλανήτη ξεκινά α- πό το ερώτημα αν ο πλανήτης αυτός έχει νερό. Το γεγονός ότι το ερώτημα αυτό τίθεται πριν από κάθε άλλο αντανακλά την απλή αλήθεια ότι η ζωή, τουλάχιστον όπως τη γνωρίζουμε, δε θα μπορούσε να δημιουργηθεί και να διατηρηθεί χωρίς την ύ- παρξη νερού. Για ποιους λόγους όμως αυτό το μικρό μόριο έχει τόσο μεγάλη σημασία; Το νερό, αν και είναι το πιο διαδεδομένο υγρό του πλανήτη (τα 3/4 του πλανήτη μας καλύπτονται από νερό), είναι ταυτόχρονα και το πιο ιδιόρρυθμο. Στις ιδιόρρυθμες μάλιστα φυσικοχημικές ιδιότητες του, που είναι συνέπεια της πολικότητας και της ικανότητας των μορίων του να συνδέονται με δεσμούς υδρογόνου, κρύβεται η μεγάλη βιολογική σημασία του. Ποιες είναι λοιπόν οι ιδιότητες του νερού που το καθιστούν συστατικό αναπόσπαστα συνδεδεμένο με τη ζωή ; Όταν υπάρχει ξηρασία...
2. Αναπτύσσει ισχυρές δυνάμεις συνοχής και συνάφειας και έχει μεγάλη επιφανειακή τάση. Αν αφήσεις με προσοχή ένα ξυραφάκι στην ελεύθερη επιφάνεια ενός ποτηριού με νερό, θα παρατηρήσεις ότι αυτό επιπλέει. Μπορείς επίσης εύκολα να διαπιστώσεις ότι δύο αντικειμενοφόρες πλάκες ανάμεσα στις οποίες έχει παρεμβληθεί νερό δύσκολα αποχωρίζονται. Τα δύο αυτά φαινόμενα είναι αποτέλεσμα των ισχυρών δυνάμεων που ασκούνται μεταξύ τών μορίων του νερού. Οι ίδιες δυνάμεις εμφανίζονται και μεταξύ των μορίων του νερού και μορίων άλλων χημικών ενώσεων, που έχουν υδρόφιλο χαρακτήρα. Πράγματι τα μόρια του νερού, χάρη στον πολικό χαρακτήρα τους, έλκονται μεταξύ τους με ισχυρές δυνάμεις, που ονομάζονται δυνάμεις συνοχής. Λόγω των σχετικά ισχυρών δυνάμεων συνοχής το νερό ανθίσταται στην παραμόρφωση της ελεύθερης επιφάνειάς του, δηλαδή παρουσιάζει μεγάλη επιφανειακή τάση. Η μεγάλη επιφανειακή τάση του νερού εξηγεί το γεγονός ότι μερικά έντομα περπατούν στην επιφάνειά του χωρίς να βυθίζονται. Οι δυνάμεις που αναπτύσσονται μεταξύ των μορίων του νερού και των μορίων άλλων σωμάτων (π.χ. νερό - γυαλί) λέγονται δυνάμεις συνάφειας. Χάρη σ' αυτές διατηρούνται υγρές οι επιφάνειες των κυτταρικών μεμβρανών, τα σπέρματα απορροφούν νερό και βλαστάνουν κ.ά. Με το συνδυασμό των δυνάμεων συνοχής' και συνάφειας (τριχοειδή φαινόμενα) επιτυγχάνεται η ανύψωση του νερού από τη ρίζα στο βλαστό και στα φύλλα των φυτών. 3. Έχει μεγαλύτερη πυκνότητα στην υγρή απ' ό- ση στη στερεή κατάσταση. Όλα τα υγρά παρουσιάζουν ελάττωση του όγκου τους με την ψύξη. Το νερό όμως παρουσιάζει μια ι- διαιτερότητα. Κάτω από τη θερμοκρασία των 4 C Ως αποτέλεσμα των δεσμών υδρογόνου, τα μόρια του νερού προσκολλώνται σε άλλα μόρια νερού (δυνάμεις συνοχής). Τα μόρια του νερού επίσης σχηματίζουν δεσμούς υδρογόνου με άλλα μόρια (δυνάμεις συνάφειας). Τελικά το νερό κινείται προς τα πάνω μέσω των λεπτών αγγείων του φυτού (τριχοειδές φαινόμενο). ο όγκος του, αντί να ελαττώνεται, αυξάνεται. Έτσι στους 4 C, που το νερό είναι ακόμη υγρό, έχει μεγαλύτερη πυκνότητα από ό,τι στους 0 C, που έχει μετατραπεί σε πάγο. Για το λόγο αυτό ο πάγος δε βυθίζεται στο νερό και αποφεύγεται έτσι το πάγωμα του πυθμένα των θαλασσών και όλης της υπόλοιπης μάζας του νερού των λιμνών και των θαλασσών, που θα θανάτωνε τους υδρόβιους οργανισμούς. Το παγωμένο νερό είναι λιγότερο πυκνό από το υγρό νερό, γιατί οι δεσμοί υδρογόνου στον πάγο δημιουργούν ένα σταθερό, ανοιχτό πλέγμα. Εξαιτίας αυτού το λιγότερο πυκνό (σταθερό) υλικό επιπλέει πάνω στο περισσότερο πυκνό νερό. Εξασφαλίζεται έτσι τόπος συνάντησης για τους πιγκουίνους (ή φώκιες).
4. Έχει μεγάλη διαλυτική ικανότητα. Μια από τις ανεπιτυχείς προσπάθειες των αλχημιστών του Μεσαίωνα ήταν η ανακάλυψη ενός διαλύτη ικανού να διαλύει όλες τις υπάρχουσες ουσίες. Οι προσπάθειες αυτές ποτέ δε στέφθηκαν με επιτυχία. Έμεινε ωστόσο η γνώση ότι το νερό, αν και δεν είναι ο απόλυτος διαλύτης, μπορεί να διαλύσει ένα πλήθος διαφορετικών ουσιών. Χημικές ενώσεις του κυττάρου, όπως τα λιπίδια, που δε διαλύονται στο νερό (μη πολικές ενώσεις), επειδή έχουν την τάση να απομακρύνονται από τα μόρια του νερού και να συσσωματώνονται μεταξύ τους, χαρακτηρίζονται ως υδρόφοβες ενώσεις. Όπως θα δούμε αργότερα, η τάση αυτή είναι σημαντική για το σχηματισμό των βιολογικών μεμβρανών. Το νερό, χάρη στη μεγάλη διαλυτική του ικανότητα, αποτελεί ένα εξαιρετικό μέσο μεταφοράς ουσιών στο κυκλοφορικό και στο απεκκριτικό σύστημα των ζώων και στους αγωγούς ιστούς των φυτών. Παράλληλα όμως διευκολύνει τη διεξαγωγή των χημικών αντιδράσεων, διότι οι ουσίες που βρίσκονται σε διάλυμα κινούνται περισσότερο ελεύθερα απ' όσο σε στερεά κατάσταση. Η κίνηση αυτή εξασφαλίζει μεγαλύτερη χημική δραστικότητα. 5. Διίσταται σε ιόντα. Ένα ακόμη χαρακτηριστικό του νερού, σημαντικό για τη ζωή, είναι η διάσταση του σε κατιόντα υ- δρογόνου Η+ και σε ανιόντα υδροξυλίου ΟΗ", σύμφωνα με την εξίσωση (Η2Ο - Η++ ΟΗ-). Επειδή όμως η διάσταση του νερού σε ιόντα γίνεται ταυτόχρονα με την επανένωση των ιόντων σε μόρια νερού, ένας ελάχιστος αριθμός μορίων νερού (1 στα 554 εκατομμύρια μόρια) βρίσκεται πρακτικά Αποδιάταξη των δεσμών υδρογόνου που αναπτύσσονται μεταξύ των μορίων του νερού, όταν αυτό είναι υγρό. σε διάσταση. Η διάσταση του νερού, παρά το ότι είναι αντιστρεπτή και συμβαίνει σε μικρό ποσοστό μορίων, παίζει σημαντικό ρόλο στο φαινόμενο της ζωής, καθώς τόσο η δομή (και συνεπώς η λειτουργία των διάφορων ειδών μακρομορίων) όσο και πολλές α- πό τις δραστηριότητες των κυττάρων επηρεάζονται άμεσα από τις συγκεντρώσεις των Η+ και των ΟΗ-. ΕΝΕΡΓΟΣ ΟΞΥΤΗΤΑ (ρη) Ο όρος ρη χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά από το Δανό βιοχημικό S.P.L. Sorenson, στο πλαίσιο μιας ερευνάς του για καλύτερες συνθήκες ζύμωσης της μπίρας. Η οξύτητα ενός διαλύματος είναι το αποτέλεσμα των ελεύθερων ιόντων υδρογόνου (Η+). Η συγκέντρωση των ιόντων αυτών είναι συχνά πολύ χαμηλή. Το ξίδι, για παράδειγμα, έχει συγκέντρωση των ιόντων υδρογόνου 0.001 mol.dm" 3. Ο Sorenson σκέφτηκε ότι το 0.001 μπορεί να γραφεί ως 10" 3 και το 0.00000000000001 ως 10" 14. Στη συνέχεια, για ευκολία, επειδή οι αριθμοί αυτοί είναι δύσχρηστοι, αγνόησε το 10 και το μείον και κράτησε το 3 και το 14 αντίστοιχα. Διάφορα υλικά με διαφορετικό ρη.
ΔΙΑΧΥΣΗ Αν σε ένα ποτήρι με νερό προστεθεί μια σταγόνα νερομπογιάς, σε λίγο όλη η ποσότητα του νερού θα είναι χρωματισμένη. Τι είναι αλήθεια αυτό που κάνει τα μόρια της νερομπογιάς να διασπείρονται σε όλο το ποτήρι; Τα μόρια της νερομπογιάς, όπως όλα τα μόρια, βρίσκονται σε μια κατάσταση διαρκούς κίνησης, που είναι γνωστή ως θερμική κίνηση. Η μεμονωμένη κίνηση ενός μορίου νερομπογιάς είναι τυχαία. Το σύνολο όμως των μορίων της νερομπογιάς κατευθύνεται από την περιοχή υψηλής συγκέντρωσης προς την περιοχή όπου η συγκέντρωση είναι χαμηλή. Έτσι δεν αργεί να χρωματιστεί ομοιόμορφα όλη η ποσότητα νερού στο ποτήρι. Τα μόρια της νερομπογιάς μετακινούνται «καθαρά» από το αριστερό τμήμα του διαλύματος, που έχει μεγαλύτερη συγκέντρωση, προς το δεξιό τμήμα, που έχει μικρότερη συγκέντρωση. Αυτό σημαίνει ότι μετακίνηση γίνεται και προς τις δύο κατευθύνσεις αλλά με μεγαλύτερο ρυθμό από την περιοχή υψηλής συγκέντρωσης προς την περιοχή χαμηλής συγκέντρωσης. Κάποτε εξισώνονται οι συγκεντρώσεις. Η μετακίνηση των μορίων όμως δε σταματά, αλλά γίνεται με τον ίδιο ρυθμό και προς τις δύο κατευθύνσεις. ΩΣΜΩΣΗ Στο σωλήνα της εικόνας, του οποίου τα δύο μέρη χωρίζονται από μια ημιπερατή μεμβράνη, έχουν τοποθετηθεί, αριστερά, υδατικό διάλυμα σακχάρου και, δεξιά, καθαρό νερό. Η μεμβράνη, ενώ επιτρέπει τη διέλευση των μορίων του νερού, εμποδίζει τη διέλευση των μορίων του σακχάρου. Τα μόρια του νερού διαπερνούν τη μεμβράνη και διαχέονται από το αριστερό διάλυμα (είναι αραιότερο, ε- πομένως αναλογικά περιέχει περισσότερα μόρια νερού) προς το δεξιό (είναι πυκνότερο, επομένως αναλογικά περιέχει λιγότερα μόρια νερού), με α- ποτέλεσμα την αύξηση του όγκου του. Η μετακίνηση νερού από το αραιότερο διάλυμα (υποτονικό) προς το πυκνότερο διάλυμα (υπερτονικό) συνεχίζεται, ώσπου να εξισωθούν οι συγκεντρώσεις σακχάρου των δύο διαλυμάτων, που πλέον χαρακτηρίζονται ως ισοτονικά. Όταν συμβεί αυτό, τότε οι ρυθμοί με τους οποίους τα μόρια του νερού μετακινούνται από το ένα προς το άλλο διάλυμα εξισώνονται.
ΙΣΧΥΡΟΙ ΟΜΟΙΟΠΟΛΙΚΟΙ ΔΕΣΜΟΙ ΣΤΑ ΒΙΟΛΟΓΙΚΑ ΜΑΚΡΟΜΟΡΙΑ Μια κατηγορία χημικών δεσμών, που αναπτύσσονται μεταξύ των πλάγιων ομάδων R των αμινοξέων και μετέχουν μαζί με τις δυνάμεις Van der Waals στη διαμόρφωση της τριτοταγούς δομής των πρωτεϊνών, είναι οι δε σμοί S-S (θειογέφυρες). Πρόκειται για ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς. ΑΣΘΕΝΕΙΣ ΕΤΕΡΟΠΟΛΙΚΟΙ ΔΕΣΜΟΙ ΣΤΑ ΒΙΟΛΟΓΙΚΑ ΜΑΚΡΟΜΟΡΙΑ Δυνάμεις Van der Waals (Βαν ντερ Βαλς). Γνωρίζουμε ότι τα e- κινούνται γύρω από τον πυρήνα δημιουργώντας το ηλεκτρονικό νέφος. Σε άτομα ορισμένων στοιχείων, όπως τα αλογόνα, λόγω της κίνησης αυτής παρατηρείται προσωρινή συγκέντρωση τους σε μια περιοχή του ατόμου. Το φαινόμενο αυτό έχει ως αποτέλεσμα ορισμένα άτομα αυτών των στοιχείων να μετατρέπονται σε παροδικά ηλεκτρικά δίπολα. Τα δίπολα άτομα επάγουν τη δημιουργία και άλλων τέτοιων δίπολων σε γειτονικά τους άτομα. Μεταξύ των δίπολων αναπτύσσονται ηλεκτρικές δυνάμεις, ελκτικές ή απωστικές. που ονομάζονται δυνάμεις Van der Waals (Βαν ντερ Βαλς). Τέτοιες δυνάμεις συμμετέχουν στη διαμόρφωση της τριτοταγούς δομής των πρωτεϊνών. Υδρόφοβοι δεσμοί Όπως και οι δυνάμεις Van der Waals, είναι ασθενείς χημικοί δεσμοί. Δημιουργούνται, όταν το Η20 εξαναγκάζει τις υδρόφοβες ομάδες μορίων να προσεγγίζουν μεταξύ τους. Οι δεσμοί αυτοί έχουν ιδιαίτερη σημασία για το σχηματισμό των κυτταρικών μεμβρανών. ΤΟ ΦΑΣΜΑ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ ΜΙΑΣ ΟΥΣΙΑΣ Εάν τοποθετήσουμε ένα χρωματιστό υγρό μέσα σε ειδικό δοχείο και το δοχείο αυτό τοποθετηθεί στην πορεία των φωτεινών ακτινών λευκού φωτός, θα απορροφήσει από το λευκό φως ορισμένα χρώματα. Εφόσον αναλύσουμε με ένα πρίσμα το υπόλοιπο φως που βγαίνει από το έγχρωμο υγρό θα πάρουμε το φάσμα απορρόφησής του. Το φάσμα του ορατού φωτός.